铁电-宽禁带半导体薄膜的外延集成、界面极化耦合效应与高迁移率晶体管器件研究

基本信息
批准号:51572280
项目类别:面上项目
资助金额:64.00
负责人:李效民
学科分类:
依托单位:中国科学院上海硅酸盐研究所
批准年份:2015
结题年份:2019
起止时间:2016-01-01 - 2019-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:于伟东,顾正莹,徐小科,朱秋香,张树德,虎学梅,毕志杰
关键词:
PMNPT铁电薄膜高迁移率晶体管界面极化耦合GaN宽禁带半导体外延集成
结项摘要

The integration of ferroelectric film with wide band-gap semiconductor is the key technology for the future applications in power electronics and smart sensor systems. In this project, we propose to achieve the high-quality epitaxial integration of PMN-PT ferroelectric film with GaN-based wide band-gap semiconductor. The domain matching epitaxial mechanism of PMN-PT films on GaN and AlGaN/GaN epilayers will be intensively studied. The coupling effect between the ferroelectric polarization of PMN-PT and the piezoelectric polarization of AlGaN/GaN will be in-depth analyzed, which aims to realize the modulation of the two-dimensional electron gas (2DEG) at AlGaN/GaN interface through the ferroelectric field effect of PMN-PT film. The Metal-Ferroelectric-Semiconductor High Electron Mobility Transistors (MFSHEMT) will be further developed, which employs PMN-PT film as the ferroelectric gate and the AlGaN/GaN 2DEG as the channel. The ferroelectric polarization status in PMN-PT can be controlled by adjusting the structure and composition of the film, which can further modulate the 2DEG density and distribution in the AlGaN/GaN channel. The enhancement-mode MFSHEMT devices will be further demonstrated with controllable threshold voltage based on the ferroelectric-modulation of 2DEG channel. The proposed AlGaN/GaN based MFSHEMT device exhibits many advantages over the conventional HEMT, such as simple enhancement mode device structure, controllable threshold voltage, low gate leakage and nonvolatile behavior, which will be very promising to develop novel high frequency/high power semiconductor devices and multifunctional integrated smart sensor systems.

铁电薄膜与宽禁带半导体的集成是面向功率电子、智能传感等新兴高技术产业应用的关键技术。本项目拟在宽禁带GaN及AlGaN/GaN表面外延生长PMN-PT铁电薄膜,通过深入研究外延生长机理与界面晶格匹配机制,实现PMN-PT铁电薄膜与GaN基半导体之间的高质量外延集成。深入分析PMN-PT/AlGaN/GaN异质外延结构的界面极化耦合效应,阐明PMN-PT的铁电极化与AlGaN/GaN的压电极化之间的相互作用机制,揭示PMN-PT薄膜的铁电场效应对AlGaN/GaN界面二维电子气的调制机理。通过控制薄膜的铁电极化特性,实现对AlGaN/GaN界面二维电子气的精确调制,开发出阈值电压可控的增强型MFSHEMT器件。基于PMN-PT铁电场效应的增强型AlGaN/GaN HEMT器件阈值电压可控、栅极漏电流低及非易失存储等特性,对于开发下一代高频高功率半导体器件及智能多功能集成器件具有重要应用意义。

项目摘要

基于高性能铁电薄膜在GaN半导体上的外延设计,研究铁电极化与AlGaN/GaN异质结界面2DEG的耦合机理,探索铁电栅基增强型高电子迁移率晶体管对于开发高性能GaN基功率电子器件具有重要研究价值。在本研究中,采用缓冲层技术实现高性能铁电薄膜在GaN上高质量外延集成,以高质量FE/AlGaN/GaN铁电-半导体异质结为基础,通过调控铁电薄膜的极化状态实现了对于界面2DEG的完全耗尽,系统揭示铁电极化与界面2DEG的耦合机理,制备了铁电栅基HEMT器件。具体在材料设计、物理机制和器件研究方面的创新性结果如下:.(1) 系统揭示了钙钛矿型PMN-PT铁电薄膜在纤锌矿型GaN半导体上的外延生长规律及生长机理,基于界面缓冲层设计实现了高性能PMN-PT铁电薄膜在GaN上的外延集成。.(2) 基于晶格匹配的外延生长机制,通过界面晶格设计实现了钙钛矿型SrTiO3模板层在纤锌矿型GaN上的高质量外延集成并深入揭示了外延生长机理,以STO模板层为基础实现了高性能BaTiO3(BTO)铁电薄膜在GaN上的高质量外延集成。.(3) 基于所集成的BTO铁电栅层材料和界面晶格结构设计,构筑了高质量BTO/MgO/AlGaN/GaN/Si铁电-半导体异质结,系统揭示了BTO中铁电极化与AlGaN/GaN界面2DEG的耦合机理,实现了对于界面2DEG的完全耗尽,证明了铁电栅基增强型HEMT器件的可行性。.(4) 基于新型铁电栅层材料Hf0.5Zr0.5O2(HZO)及界面晶格设计,构筑了高性能HZO/MgO/AlGaN/GaN/Si外延异质结,通过改变HZO铁电极化状态实现了对于异质结阈值电压由-3.8 V到+3.2 V之间的可控调控,并探测到高达+5.5 V的阈值电压,以上述高性能异质结为基础制备了铁电栅基HEMT器件。. 综上所述,本研究对于开发高性能铁电栅基增强型HEMT器件及相关功能集成器件具有重要研究价值。基于上述研究,目前已发表16篇SCI论文,申请6项发明专利。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

基于一维TiO2纳米管阵列薄膜的β伏特效应研究

基于一维TiO2纳米管阵列薄膜的β伏特效应研究

DOI:10.7498/aps.67.20171903
发表时间:2018
2

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0221
发表时间:2022
3

小跨高比钢板- 混凝土组合连梁抗剪承载力计算方法研究

小跨高比钢板- 混凝土组合连梁抗剪承载力计算方法研究

DOI:10.19701/j.jzjg.2015.15.012
发表时间:2015
4

Synergistic effect enhances the peroxidase-like activity in platinum nanoparticle-supported metal–organic framework hybrid nanozymes for ultrasensitive detection of glucose

Synergistic effect enhances the peroxidase-like activity in platinum nanoparticle-supported metal–organic framework hybrid nanozymes for ultrasensitive detection of glucose

DOI:10.1007/s12274-021-3406-z
发表时间:2021
5

青藏高原狮泉河-拉果错-永珠-嘉黎蛇绿混杂岩带时空结构与构造演化

青藏高原狮泉河-拉果错-永珠-嘉黎蛇绿混杂岩带时空结构与构造演化

DOI:10.3799/dqkx.2020.083
发表时间:2020

李效民的其他基金

相似国自然基金

1

宽禁带Ⅱ-Ⅵ族半导体薄膜的外延生长及掺杂研究

批准号:59302018
批准年份:1993
负责人:王杰
学科分类:E0207
资助金额:6.50
项目类别:青年科学基金项目
2

高Al组份AlxGa1-xN 宽禁带半导体薄膜的MOCVD外延生长和掺杂研究

批准号:60444007
批准年份:2004
负责人:沈波
学科分类:F0401
资助金额:6.00
项目类别:专项基金项目
3

宽禁带半导体器件噪声机理与噪声模型研究

批准号:60876052
批准年份:2008
负责人:徐锐敏
学科分类:F0404
资助金额:32.00
项目类别:面上项目
4

介电/半导体集成薄膜的分子束外延生长与界面控制研究

批准号:50932002
批准年份:2009
负责人:李言荣
学科分类:E0206
资助金额:200.00
项目类别:重点项目